分布式災害應急協同研判系統的設計與實現

肖宏宇,杜志強,朱 慶,王 薇,林月冠

（1.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756；3.民政部 減災應急工程重點實驗室，北京 100124）

我國是世界上自然災害頻發(fā)，且遭受影響最為嚴重的國家之一[1]。我國的自然災害呈現種類多、分布廣、頻率高、損失重等特點，而應對重大自然災害更具有多目標、多因素、群決策等特點[2]，這些特點導致災害應急決策過程極其復雜，決策后果影響深遠。應急災害風險評估準確性不足，抗震救災及其他有關領域專家組應急決策滯后，都會對初期科學應對災害造成不利影響。究其原因是地方政府和基層組織的應急反應系統不完善甚至不存在，災害發(fā)生時中央與地方信息脫節(jié)或存在重大偏差，同時，災害發(fā)生后在統一地點組織多專業(yè)、多領域、多層次專家召開災情研判會議耗時耗力，應急反應能力嚴重不足。由此可見，建立一套中央與地方之間完整、準確、高效的應急災情研判系統，以及政府部門與專家組之間快速、協調、有效的協同工作環(huán)境，對最大程度地減少人員傷亡、減輕經濟損失和社會影響至關重要。

1 協同研判系統

計算機支持的協同工作（computer support cooperative work，CSCW）技術的出現使得信息社會中人們工作方式的群體性、交互性、分布性和協作性得到極大的提升[3,4]，而基于網絡基礎設施，不僅可以實現信息資源共享、支持處理與大規(guī)模協作過程中的數據共享，也可以有效實現異質和地理上分散環(huán)境的通訊[5]。這些都為中央與地方減災部門之間實現快速信息互通、快速資源共享、快速協同行動創(chuàng)造了條件。同時，基于網絡技術的分布式協同研判方式也已成為復雜災情問題多層次決策的主要趨勢。

針對國家、省級減災中心災害研判分析過程中相互間缺乏災情信息交流、災情標繪信息誤差大、先制圖后研判導致決策應急性不足等問題，以網絡環(huán)境為支撐，設計實現了分布式災害應急協同研判系統。通過建立協同工作運行環(huán)境，強化災情標繪操作互通、互聯、互操作能力，加速標繪信息的交流，提高標繪信息的可靠性與實效性[6]。同時，參照主流的地圖協同標繪原理，采用了“主席-聽眾”的管理模式，使各領域專家等多角色之間充分進行溝通，有效開展協同標繪與研判分析工作，及時完成防災減災策略制定。

目前，災害應急管理過程中的協同研判主要包含2種不同的業(yè)務層面[7]。第一個層面為廣義的協同研判，也稱為大綜合層次，需要災害現場數據、天空地數據等都參與到協同過程中，多學科專家都參與到過程中，是一個多層次、多類型綜合性的協同研判過程；另一個層面為狹義的協同研判，主要是在研判過程中，多工種、上下游之間的協同與研判。分布式災害應急協同研判系統主要針對第一個層面的協同研判，因此，采用適應于綜合減災業(yè)務的“主席-聽眾”協同研判模式。圖1展示了該模式的具體結構以及“主席”和“聽眾”的任務和權限。

“主席-聽眾”模式也適用于中央與省級減災中心的多層次協同。系統獲取并共享災害事件信息，各級指揮人員可以協調使用所需要的災害遙感影像等資源。在國家級和省級指揮中心進行不同層次和不同中心之間的多層次協同或跨部門協作，同時進行多事件協調、計劃與管理。

圖1 “主席-聽眾”協同研判模式

2 系統設計

2.1 系統總體框架

分布式災害應急協同研判系統在綜合減災信息服務標準體系的支撐下由研判層和交互層2個功能層以及1個數據層組成，系統總體框架見圖2。

圖2 分布式災害應急協同研判系統總體框架

2.2 功能模塊設計

1）交互功能層。主要包括6個模塊。其中，數據接入模塊負責接入標繪過程所需的災情現場數據、遙感底圖數據、基礎地理數據、電子地圖數據等，主要包括TIF、IMG、SHP、DWG等數據格式；數據處理模塊負責對接入的數據進行格式轉換、投影變換、拓撲重建、透明度處理等操作；數據管理模塊負責以工作空間文件、數據源文件的形式管理不同層級的數據，以及對標繪過程中的圖層進行管理；分布式協同標繪環(huán)境構建模塊面向多客戶端用戶，負責構建災害應急協同標繪環(huán)境，包括完整統一的標繪命令、標繪工具和圖元信息等；協同交互模塊負責協調客戶端與服務器之間的通信連接、數據傳輸、信息發(fā)送和請求響應等操作，為多源信息一體化顯示模塊提供數據交互、同步功能；多源數據一體化顯示模塊將遙感數據、測量數據、統計數據等多種數據源的數據在二維窗口進行有序組合，并進行一體化顯示，實現災情信息和標繪信息的直觀表達。

2）研判功能層。主要包括5個模塊。其中，任務調度管理模塊實現用戶間的溝通和討論，獲得工作區(qū)、工作流、任務描述等信息，進行標繪與研判任務調度管理；災情研判分析模塊從資源管理與案例庫構建模塊中讀取每個時刻的研判信息，并進行分析統計；研判資源管理與案例庫構建模塊負責讀取研判過程所需的基礎地理數據、遙感影像、地方上報數據、歷史案例庫、應急決策綜合知識庫等，并提供給災情研判分析模塊，同時將研判結果、過程記錄數據進行存檔，生成歷史案例庫；應急救災決策推理與優(yōu)化模塊負責集成救災決策應急模型、救災資源需求模型、救災資源應急調度多目標優(yōu)化模型、應急救災方案評價知識模型、災民緊急疏散計算機仿真模型等，在不確定、不完整、時變信息條件下推理得到救災方案，為應急救災提供類型、數量、時間排序、空間分布等災害應急救災需求建議方案；研判過程記錄模塊負責讀取資源管理與案例庫保存的研判過程操作記錄，生成災情研判分析報告。

3 關鍵技術

3.1 任務區(qū)劃

災情協同標繪的首要工作是對遙感影像進行任務區(qū)劃分，標繪人員根據統一任務分配確定作業(yè)區(qū)域，對區(qū)域內的損毀目標進行標繪。災情標繪與研判的對象是房屋、道路、基礎設施等承災體，以及滑坡、泥石流、堰塞湖等致災因子，這些對象均具有個體完整性、群體關聯性、分布不均勻性的特點。通過坐標、分塊大小、分塊數目等參數定義的影像分塊分區(qū)方法和通過比例尺、經緯度控制的影像分幅分區(qū)方法均會對標繪對象造成個體完整性破壞和關聯信息損失，并且不適合高清遙感影像提供的小范圍研判目標的任務區(qū)劃分。

利用掩膜多邊形方法進行影像任務區(qū)劃，靈活的多邊形繪制既可以避免重要地物被分隔，也可以將關聯對象集中歸類，對無關信息進行剔除，同時適應了標繪對象群分布不規(guī)則的特點。掩膜多邊形任務區(qū)劃方法中，掩模是由0和1組成的二進制圖像，1值區(qū)域被處理，0值區(qū)域被屏蔽[8]。通過繪制不規(guī)則多邊形構建目標區(qū)域掩膜圖像，此圖像和遙感底圖疊加，利用圖像算數運算乘法原理實現目標提取，結果影像圖落在掩膜區(qū)域內的為原值，落在區(qū)域外的均為0，如圖3所示，運算方法如下：

圖3 掩膜多邊形受災目標區(qū)分割

3.2 并發(fā)控制

分布式災害應急協同研判系統的一大特點是動態(tài)性，主要體現在災情標繪數據的實時上傳和共享。由多個業(yè)務員同時訪問和操作共享必然會引起并發(fā)控制的問題，這種問題的解決主要從控制級和領域級著手，前者關心的是對沖突的預防，后者關心的是如何解決已產生的沖突[9]。

并發(fā)控制機制通常包括事務協議加鎖協議、串行協議、令牌環(huán)協議等[10]?！爸飨?聽眾”模式即是一種令牌環(huán)協議，通過設置“主席權限”和“聽眾權限”來區(qū)分用戶的不同角色。分布式災害應急協同研判系統的共享數據由數據源文件承載，業(yè)務員通過添加共享數據源文件獲取對應作業(yè)員的標繪進展、成果、評判標準等信息?！奥牨姍嘞蕖钡臉I(yè)務員只能對共享數據進行查看，無法編輯修改標繪數據，需要修改共享數據的業(yè)務員通過向“主席權限”角色發(fā)送請求，獲得權限后可以進行標繪信息修改。該方法是一種控制級的沖突解決辦法，旨在通過管理模式減少沖突的產生。

但是，受專業(yè)知識背景、工作經驗等因素的影響，業(yè)務員對同一受災區(qū)目標損毀程度的評判存在差異，差異偏大將導致數據的不一致，此時，需要對有沖突的操作進行手工干預[11]?？梢酝ㄟ^發(fā)送疑似案例，進行可信度判定、協商判定、仲裁評定消除沖突。其中，可信度判定是指依據用戶在防災減災領域的專業(yè)知識背景區(qū)分提供信息人員的可信度，進行優(yōu)先級排序，首選可信度高的人員提供的信息；協商判定是指由信息提供人員之間進行協商討論，提交有共識的可信度最高的信息；仲裁評定是指把不同領域專家?guī)胗懻?，由他們進行評定。

3.3 協同標繪

分布式災害應急協同研判系統最重要的內容就是協同工作條件下災情信息的標繪與標注。系統以工作空間、數據源、數據集3個層級的方式管理標繪數據，其中，工作空間由數據源組成，數據源由數據集組成，數據集分為點、線、面、文本、影像、CAD等多種格式類型，在多源數據一體化顯示時，1個數據集即為1個圖層。

在協同標繪過程中，具有標繪權限的角色在標繪對象上增加、刪除、修改、移動點、線、面等矢量圖形，以及圖標、文字等標注符號，繪制數據在數據集中自動保存，一定時間后數據集所在的數據源文件通過網絡反饋給服務器，服務器處理請求后在數據庫進行備份，并向其他業(yè)務員發(fā)送消息[12]。當協作對象接收到網絡數據后，對網絡數據進行解析，如果是符號處理操作并且本身具有顯示權限，則將上傳的數據源文件加載進本地工作空間，并在本機進行相應的圖形符號操作。

4 實驗與結論

4.1 實驗數據與環(huán)境

以1臺配備四核處理器、16 GB內存、1 TB空間硬盤的服務器為WMS服務器，在多臺配備Inter(R)Core(TM) i7-3520M 2.90 GHz CPU和NVIDIA NVS 5 200 M顯卡、8 GB內存的圖形工作站上進行實驗。以某時相蘆山地震寶盛鄉(xiāng)的遙感影像、1︰400萬基礎地理矢量數據、網絡服務數據等為實驗數據。

4.2 實驗步驟

分布式災害應急協同研判系統在國家級節(jié)點（民政部國家減災中心）和省級節(jié)點（江西、云南、甘肅、遼寧、湖北等減災中心）進行部署。國家級節(jié)點分別在內網和外網部署該系統，內外網之間物理隔離，且分別部署系統必要的存儲設備、計算設備、網絡設備、安全設備和工作站等硬件；省級節(jié)點僅在外網部署該系統。國家級節(jié)點與省級節(jié)點均用外網通過VPN或Internet進行通訊。

標繪過程為：主席位通過分布式災害應急協同研判系統任務調度管理模塊劃分任務區(qū)，并指定責任人。實驗劃分為“任務區(qū)：村落1”、“任務區(qū)：村落2”、“任務區(qū)：村落3”、“任務區(qū)：村落4”共4個標繪任務區(qū)；內業(yè)人員根據統一任務分配確定作業(yè)區(qū)域，通過分布式協同標繪模塊對區(qū)域內的損毀目標進行標繪，不同業(yè)務員之間利用協同交互模塊，通過查看其他區(qū)域來了解相應作業(yè)員的工作進度和評判標準；對于不能確定損毀程度的目標，通過發(fā)送疑似案例向專家進行咨詢。

災情研判階段，主席位將共享標繪成果統一加載到分布式災害應急協同研判系統，形成完整、統一的寶盛鄉(xiāng)受損房屋標繪成果，由專家組依據標繪標注信息進行災情綜合研判。圖4所示的寶盛鄉(xiāng)受損房屋協同研判過程中， a圖為任務劃分階段，主席位對災害協同研判大任務進行任務分區(qū)；b圖為協同標繪階段，業(yè)務員針對“任務區(qū)：村落1”進行的標繪結果，以及主席位匯總任務區(qū)1至4標繪成果后的結果；c圖為災情研判階段，寶盛鄉(xiāng)北部沿河區(qū)域局部放大圖。結果表明，寶盛鄉(xiāng)沿河北部受損房屋密集，且存在2處嚴重受損區(qū)域，需要制定緊急救援策略。

圖4 寶盛鄉(xiāng)受損房屋協同研判

4.3 結 論

協同工作已經成為國家各級防災減災中心處理綜合減災業(yè)務問題的重要特征，建立一個快速、穩(wěn)定、可靠的分布式災害應急協同標繪與研判平臺，對提高災情綜合研判能力具有重要意義。實驗表明，分布式災害應急協同研判系統能夠滿足災害應急響應過程中對多用戶進行遠程災害影像圖標繪操作和災情研判分析的需求；能夠實現災害研判分析過程中災情信息的快速交流；主席位根據需要實時加載標繪結果，能夠實現標繪與研判同時進行，提高了防災減災策略制定的應急性。

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